BEGREIFEN LEICHT GEMACHT

>> KERNPHYSIK HAUTNAH >>

zur Exkursion des Physik Grund- und des Physik Leistungskurses 13

CERN

Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

Vorwort

Kernphysik... Eins der interessantesten Themen der Physik, welches unter anderem auch anhand kleinster Teilchen und deren Verhalten, z.B. bei Zusammenstößen, auf die Theorie des Urknalls und der weiteren Entwicklung des Universum zu schließen versucht. Für ein noch besseres Verständnis und um das Thema etwas abzurunden, haben wir, die Schüler des Physik Grund- und Leistungskurs der Jahrgangsstufe 13 aus der Brandenburgischen Schule für Blinde und Sehbehinderte, uns dazu entschlossen, eines der wichtigsten und größten Zentren der Kernforschung, das CERN bei Genf, zu besuchen. Der folgende Bericht soll zeigen, was wir bei diesem Besuch gelernt und erlebt haben.

Das CERN

Was ist das CERN und was macht es?

Europäische Organisation für Kernforschung (CERN, französisch Conseil Européen pour la Recherche Nuckaire), internationale Organisation für Hochenergie- und Kernphysik in Genf. Offiziell wurde sie 1954 mit dem Ziel der Grundlagenerforschung im Bereich der Nuklearphysik gegründet. Außerdem will sie Aufschluß über die Entstehung der Materie gewinnen. Erste Mitglieder waren Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Norwegen, Österreich, Schweden und die Schweiz. Später kamen Finnland, Polen, Portugal, die Slowakei, Spanien, Tschechien und Ungarn hinzu.
Heute ist das CERN-Forschungszentrum das größte seiner Art. Hier befinden sich Teilchenbeschleuniger, durch die Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Der Zusammenstoß dieser Teilchen wird mit Teilchendetektoren aufgezeichnet. Teilchenzusammenstöße im CERN sind Vorstöße ins Innere der Materie, Reisen zurück zum Urknall und zum Anfang der Zeit. CERN-Forscher untersuchen anhand von Millionen von außergewöhnlichen Ereignissen, warum sich das Universum in 15 Milliarden Jahren so entwickelt hat, wie wir es heute sehen.
1995 belief sich das Jahresbudget von CERN auf 910 Millionen Schweizer Franken. Oberstes Organ des CERN ist ein aus je zwei Vertretern der Mitgliedsstaaten zusammengesetzter Rat, der unter dem Vorsitz eines Präsidenten über Haushaltsplanung und Projekte entscheidet. Ein Ratskomitee bereitet seine Treffen vor. Außerdem existieren noch ein wissenschaftspolitisches und ein Finanzkomitee.
An den Projekten des CERN-Forschungszentrums sind etwa 6.500 Gastforscher aus mehr als 500 verschiedenen Universitäten und 80 Ländern beteiligt. Unterstützt werden sie von etwa 3.000 Mitarbeitern (Wissenschaftler, Techniker, Ingenieure, Handwerker). Nebenprodukte dieser Forschung sind u. a. Höchstpräzisionsmesser und Detektoren für die medizinische Radiologie. Dazu gehört auch das World Wide Web, ein benutzerfreundliches System, das den Zugang zum Internet (und damit einen schnellen Informationsaustausch zwischen seinen Nutzern) gewährt.
Der neueste Teilchenbeschleuniger des CERN ist der Large Electron-Positron Collider (LEP) mit einem 27 Kilometer langen Beschleunigungs- und Kollisionsring. Er wurde 1993 eingeweiht. Mit dem LEP können Elektronen und Positronen nahezu bis zur Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. DELPHI, einer der vier LEP-Teilchendetektoren, besteht aus einem waagerechten Zylinder von etwa zehn Metern Durchmesser und einem Gewicht von etwa 3.000 Tonnen. Im LEP-Tunnel soll ein Large Hadron Collider (LHC) untergebracht werden, für dessen Fertigstellung in zwei Etappen (2004 und 2008) im Dezember 1994 von den Mitgliedsstaaten insgesamt 3,1 Milliarden Mark bewilligt wurden.
Im Januar 1996 gelang es Wissenschaftlern des CERN-Forschungszentrums unter Leitung des deutschen Physikers Walter Oelert erstmals, Atome aus Antimaterie herzustellen. Dabei handelte es sich um Antiwasserstoffatome aus einem Antiproton und einem Antielektron.
Das CERN spielt auch eine wichtige Rolle in der wissenschaftlich-technischen Ausbildung. Mit einer umfangreichen Palette von Fortbildungsprogrammen und Stipendien zieht das Labor talentierte junge Wissenschaftler und Ingenieure in großer Zahl an. Die meisten von ihnen setzen ihre Karriere in der Industrie fort, wo ihre praktischen Erfahrungen in einer multinationalen High-Tech-Umgebung sehr gesucht sind.

Wie wird es gemacht?

Man beschleunigt Teilchen auf sehr hohe Energien. Läßt man Teilchen zusammenstoßen oder lenkt sie auf feste ,,targets", können die Physiker aus einer Analyse der Reaktionen die zwischen den Teilchen wirkenden Kräfte bestimmen.
Es gibt zwei Typen von Beschleunigern, Linear- und Ringbeschleuniger. CERN verfügt über beide Typen. Beschleuniger benutzen starke elektrische Felder, um einen Teilchenstrahl mit Energie aufzuladen. Mit Magnetfeldern wird der Strahl gebündelt und in Ringbeschleunigern auf eine Kreisbahn gelenkt.
In Linearbeschleunigern wird der Strahl über die ganze Länge der Maschine mit Energie aufgeladen. Je länger die Maschine, desto höher ist die Endenergie.
Der Nachweis von Ereignissen erfolgt in Detektoren, die um die Kollisionspunkte herum aufgebaut werden. Detektoren für Speicherringexperimente sind so groß wie ein Haus, ähnlich wie Zwiebeln aufgebaut, aber von zylindrischer Form, und voll von hochentwickelter Elektronik. Die Kollisionen ereignen sich genau in ihrem Zentrum, und die verschiedenen Schalen bestimmen verschiedene Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen. Nachweisgeräte in unmittelbarer Nähe der Strahlen verfolgen die Spuren der am Kollisionspunkt erzeugten Teilchen. Die nächste Schale bilden sogenannte Kalorimeter zur Energiebestimmung, in denen die meisten Teilchen ihre Reise beenden. Die äußerste Zwiebelschale identifiziert alle Teilchen, die bis hierher vordringen, und mißt ihre Spuren. Ein in den Detektor eingebauter Magnet lenkt elektrisch geladene Teilchen während der inneren Spurmessung auf gekrümmte Bahnen und erleichtert damit die Identifizierung unterschiedlicher Teilchen.
Bei Zusammenstößen von Teilchen in Beschleunigern, sogenannten Speicherringen, oder bei ihrem Aufprall auf ,,targets" außerhalb des Beschleunigers entstehen neue Teilchen. Dabei verwandelt sich Materie in Energie und Energie wieder zurück in Materie, entsprechend Einsteins berühmter Gleichung E=mc2.
Wichtig ist jedoch, daß bei Teilchen-Kollisionen die Energie auf winzigstem Raum konzentriert ist. Aus solch extremen Energiekonzentrationen entstehen neue Teilchen, deren Untersuchung uns neue Einblicke in die Geheimnisse der Natur erlaubt.

Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

Teilchenbeschleuniger sind physikalisch-technische Großanlagen zum Beschleunigen von geladenen Elementarteilchen oder Ionen. Teilchenbeschleuniger zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt. Im Wesentlichen bestehen diese Anlagen aus drei Teilen: einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen, einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können, und einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen. Üblicherweise sind Teilchenbeschleuniger mit anderen Einrichtungen wie z. B. Teilchendetektoren gekoppelt.
Geladene Teilchen lassen sich mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes beschleunigen. Das gelingt beispielsweise durch eine hohe Potentialdifferenz zwischen Elektroden, die an den Enden der evakuierten Röhre angebracht werden. Auf diese Weise gelang es beispielsweise den englischen Wissenschaftlern John D. Cockcroft und Ernest Walten, Protonen auf Energien von 250 000 Elektronenvolt (eV) zu beschleunigen. Der so genannte Van-de-Graaff-Generator läßt sich auch als Teilchenbeschleuniger einsetzen. Diese Vorrichtung arbeitet mit Hilfe der Elektrostatik. Zwischen zwei Elektroden wird durch Ladungstrennung an einem bewegten Riemen eine Potentialdifferenz erzeugt. Dadurch können Teilchen bis auf Energien von zehn Megaelektronenvolt (zehn Millionen Elektronenvolt) gebracht werden.

Was sind Teilchendetektoren?

Teilchendetektoren sind Geräte oder Anlagen zum Nachweis und zur Erforschung subatomarer Teilchen bzw. Elementarteilchen. Auf der einen Seite können Detektoren so klein und so einfach aufgebaut sein wie z. B. der Geigerzähler. Auf der anderen Seite können sie auch so groß und komplex sein wie Funken- oder Blasenkammern. Diese sind mitunter so groß wie ein Zimmer oder eine Wohnung.

Der LEP

Was ist der LEP?

Der große Elektron-Positron-Collider LEP ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Er ist in einem Ringtunnel von 27 km Umfang installiert, der 100 m unter der Erde verläuft. An vier Punkten um den Beschleuniger untersuchen gigantische Detektoren, ALEPH; DELPHI, L3 und OPAL genannt, was passiert, wenn Elektronen mit Positronen, ihren Gegenstücken aus Antimaterie, unter hoher Energie zusammenstoßen.

Wie funktionieren Beschleuniger?

In Teilchenbeschleunigern wie LEP nutzt man die Art und Weise, wie sich geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern bewegen. Elektrische Felder beschleunigen sie; magnetische Felder lenken sie ab und bündeln sie zu Strahlen.
Ausgangspunkt aller Teilchenstrahlen ist eine Teilchenquelle; die einfachste Quelle ist ein erhitzter Draht, z.B. der Leuchtdraht in einer Glühbirne. Diese Art von Quelle wird bei Fernsehern verwendet.
Ein ähnlicher Leuchtdraht wird auch in LEPs Linearinjektor LIL benutzt. LIL ist ein linearer Beschleuniger, kurz Linac, der die Strahlen für LEP vorbereitet. In einem Linac beschleunigen sich die Teilchen von einer Elektrode zur nächsten und nehmen mit jedem Durchgang mehr Energie auf. LILs Leuchtdraht produziert die Elektronen für LEP. Die Herstellung der Positronen ist allerdings etwas schwieriger. Um Positronen zu produzieren, beschleunigt man Elektronen durch eine Folie; dabei bilden sich Elektronen- und Positronenpaare. Die Positronen werden mit Hilfe von Magneten herausgefiltert und dann gespeichert, bis eine genügende Anzahl vorhanden ist, um einen Strahl zu bilden. Alle Strahlen bei CERN beginnen ihre Existenz in Linacs; um sie jedoch auf die von den Physikern benötigten Energien zu bringen, müßten die Beschleuniger extrem lang sein. Aus diesem Grund wurden die großen Maschinen bei CERN als Ringe gebaut Im LEP krümmen 3368 Magnete die Teilchenstrahlen und halten sie auf der Bahn.

Was macht der LEP?

Der LEP wurde konstruiert für das Studium der fundamentalen Naturkräfte, der schwachen Kraft, von der die Sonne ihren Brennstoff erhält und die für gewisse Formen der Radioaktivität verantwortlich ist.
Eines der ersten Ergebnisse, die LEP brachte, war auch gleich von besonderer Bedeutung. Es zeigte nämlich, daß sich die Materie in Form von drei verschiedenen Teilchenfamilien präsentiert. Alle Objekte, die wir sehen, wir selber eingeschlossen, bestehen aus Teilchen, die zur leichteren Familie gehören. Die beiden anderen Familien sind nur schwerere Kopien dieser ersten.
Warum es drei Familien gibt statt nur einer einzigen ist noch ungeklärt.

Wie werden die vier Detektoren benutzt?

Die vier LEP-Detektoren funktionieren nach denselben Grundprinzipien, aber jeder wurde für eine spezielle Aufgabe optimalisiert. OPAL beruht auf Techniken, die man gut beherrscht, um gleich von Betriebsbeginn Ergebnisse garantieren zu können. DELPHI hingegen steckt voller innovativer Technologien. ALEPH hält sich in der Mitte dazwischen, während L3 speziell für den Nachweis von Müonen konzipiert ist. Alle vier haben bestens funktioniert; angespornt durch ihre freundschaftliche Rivalität haben die Physikerkollaborationen, die die Detektoren gebaut haben, ihre heutige Vorrangstellung in der Teilchenphysik erlangt.

Der LHC

Der Große Hadron Collider LHC ist ein Teilchenbeschleuniger, der tiefer denn je ins Innerste der Materie vordringen wird. Sein Betriebsbeginn ist für 2005 geplant. In der Endphase wird er Protonenstrahlen mit einer Energie von 14 TeV zum Zusammenstoß bringen. Außerdem wird er Bleikerne beschleunigen und sie mit einer Kollisionsenergie von 1150 1eV frontal aufeinander prallen lassen.
Der LHC ist die nächste Etappe auf einer Entdeckungsreise, die im letzten Jahrtausend begann.
Mit Hilfe eines derartigen Beschleuniger erhoffen sich die Wissenschaftler neue Erkenntnisse u.a. über die Zusammenhänge zwischen Masse und Materie.

Unser Besuch im CERN

Nach einem fachlich sehr gut aufbereiteten Vortrag von Herrn Schöneich, unzähligen Diskussionen über Universen, Materie, Unendlichkeit, Lichtgeschwindigkeit und unserer 17stündigen Zugfahrt war der wichtigste Tag dieser Reise gekommen. Am Montag den 24.01.2000 um 09.00 Uhr begann die Führung mit einem Vortrag von Herrn Dr. Schäfer, einem Mitarbeiter von L3. Anhand von gewissen Grundfragen, wie zum Beispiel: Was ist das CERN? oder: Wie arbeiten die Wissenschaftler in dieser Einrichtung? erklärte er uns die Aufgabe, die Funktionsweise und die Ziele des CERNs.
Ähnlich wie bei dem Vortrag von Herrn Schöneich, einem Physiker des DESY Zeuthen, waren seine Ausführungen sehr interessant, ausführlich und auch verständlich. Und natürlich auch für uns sehr wichtig war, daß es selbst für unsere blinden Mitschüler durchaus anschaulich gestaltet war. Während dieses Vortrages, in den folgenden Führungen und Ausstellungen beantwortete er außerdem alle von uns gestellten Fragen.
Mit Hilfe der komplizierten Fragen unsererseits kam es nun auch zu interessanten und aufschlußreichen Diskussionen mit Herrn Dr. Schäfer.

Nach dem Vortrag besuchten wir die Ausstellung Mikrokosmos, welche fachlich sehr interessant gestaltet war. Hier fanden wir unter anderem eine sehr gute grafische Darstellung der Theorie vom Urknall und der Entwicklung des Weltalls, sowie ein Kalorimeter, welches zur Impulsmessung verwendet wird, verschiedene Detektormodelle und mehrere einzelne Bestandteile eines Beschleunigers, wie zum Beispiel ein Strahlrohr, ein Resonator, ein Quadru- und Sextupolmagnet.
Wie schnell die Zeit bei solch interessanten Dingen vergeht merkten wir nun an unseren knurrenden Mägen, denn es war schon Mittag. Herr Schöneich führte uns nun zur Kantine, wo wir uns erst einmal stärken konnten. Das Essen hier war, wie auch sonst, spitzenmäßig. Und selbst während des Essens gingen die Diskussionen immer weiter. Wir waren nun mal über das eben gehörte fasziniert und hatten dennoch teilweise verschiedene eigene Standpunkte, die wir dann vertraten.

Als endlich der Bus auf dem Parkplatz vorfuhr, merkten wir, daß es jetzt losgehen sollte. Nun wurden wir zum Experiment L3 gefahren. Als wir dort ankamen waren wir sehr beeindruckt, denn es wurden scheinbar schon sehr viele Vorbereitungen getroffen. Zuerst betrachteten wir ein Modell des Experimentes, wobei Herr Dr. Schäfer hieran alles nötige erklärte. Dieses Modell ist in einem Maßstab von Eins zu Zehn originalgetreu dargestellt. Auch unsere blinden Mitschüler konnten einen sehr guten Eindruck von dem Experiment gewinnen, da sie die Möglichkeit hatten das Modell im wörtlichen Sinne zu begreifen zu betasten.
Aber nun ging es erst richtig los. An einem Geländer entlang laufend, von dem aus man in fünfzig Meter Tiefe herab blicken konnte, gingen wir in Richtung Fahrstuhl, der uns in die eben genannte Tiefe herab befördern sollte. Etwa 25 Personen waren so in dem Fahrstuhl untergebracht. Unten angekommen gingen wir noch durch eine Vorhalle des Experiments und wurden dann in fünf kleinere Gruppen aufgeteilt. Jeder der Führer hat nun zu seiner Gruppe einige noch einleitende Worte gesagt, bevor es nun wirklich in das Experiment ging. Nach außen hin abgeschirmt ist das Experiment durch eine sechs Meter dicke Wand. Wir gingen also hinein. Und nun waren Faszination und Erstaunen gar kein Ausdruck mehr. Wir waren einfach sprachlos. Die Gruppenführer zeigten und erklärten uns nun die einzelnen Bestanteile, die Arbeits- und Funktionsweise von L3 sehr detailliert. Aber auch die Sprachlosigkeit hinderte uns nicht daran weitere Fragen zu stellen, auf die unsere Gruppenführer sehr engagiert und mit viel Geduld eingingen. Sehr beeindrucken war auch der Aufenthalt auf der vierzehn Meter hohen geöffneten Tür des Magneten. Dies ist etwas, was normalerweise nicht zu einer solchen Führung gehört und nur für uns realisiert wurde. Erstaunlich war außerdem noch, daß außergewöhnlich viel Sicherheitspersonal eingesetzt wurde, um auf unser Wohlbefinden zu achten und für unsere Sicherheit zu sorgen. Dafür haben sie auch an möglichen Gefahrenzonen Geländer und Abpolsterungen angebracht.

Der richtige Höhepunkt sollte aber erst noch kommen. Nachdem wir im L3 so ziemlich alles gesehen hatten, durften wir eine extra für uns organisierte Fahrt mit der Servicebahn genießen. Normalerweise gehört so eine Fahrt nicht zu einer Besichtigung. Selbst für unsere Führer war das etwas ganz neues. Von einem eigens für uns aufgebauten Podest kletterten wir also in die Bahn und fuhren etwa 300 m in den LEP-Tunnel hinein. Hier sahen wir die unterschiedlichen Magnete.
Nachdem die letzten Fragen unsererseits noch gestellt und von den CERN-Mitarbeitern beantwortet wurden ging es in dem überdimensionalen Fahrstuhl wieder nach oben und dann zurück an die frische Luft, wo wir uns zum Schluß noch einmal recht herzlich bei den einzelnen Gruppenführern bedankt haben. Der Bus fuhr uns nun wieder in Richtung Hostel, wo dieser unglaublich schöne und interessante Tag endete.
Für uns war somit eines der grandiosesten und beeindruckendsten Erlebnisse zu Ende gegangen. Selbst am Abend in der Kantine haben wir dann noch intensiv über den ganzen Tag debattiert.
Abschließend können wir also durchaus sagen, daß wir mit diesem Besuch des CERNs und des Experiments L3 mit allen Besonderheiten, die nur für uns arrangiert wurden sind, unser allgemeines physikalische Verständnis und Wissen weitaus verbessert haben. Auch für die Blinden unter uns war dieser Tag sehr anschaulich und interessant gestaltet. Dafür und auch für das große Arrangement und die Geduld bei der Beantwortung unserer zahlreich gestellten Fragen sind wir den entsprechenden CERN-Mitarbeitern sehr dankbar. Einen besonderen Dank gilt hierbei natürlich auch Herrn Schöneich, der diesen Besuch für uns organisiert hat, und vor allem Herrn Dr. Schäfer, der uns den ganzen Tag über mit viel Geduld und vollstem Verständnis für Fragen, Probleme und Meinungen begleitet hat.


Brandenburgische Schule für Blinde und Sehbehinderte
15711 Königs Wusterhausen
Luckenwalder Straße 64
Telefon: 03375 2429-11

Thomas Schrowe (Physik Leistungskurs 13)
Monique Gartmann, Marko Weber (Physik Grundkurs 13)